自動化學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文--有源電力濾波器的諧波檢測方法的研究

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　題 目 用于有源電力濾波器的諧波</p><p>　　檢測方法的分析與研究 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級 &l

2、t;/p><p>　　學(xué) 生 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p><b>　　2015 年</b></p><p>　　有源電力濾波器的諧波檢測方法的研究</p><p><

3、b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著工業(yè)化進程的不斷加快，電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種非線性負載的大量使用，產(chǎn)生了大量諧波污染。諧波抑制技術(shù)是提高電能質(zhì)量的主要手段之一。有源電力濾波器（APF—Active Power Filter）作為有效的動態(tài)抑制諧波和補償無功功率的電力電子裝置，在電力系統(tǒng)諧波問題的治理中已經(jīng)逐漸成為研究熱點。</p><p>　　首先，

4、介紹了電力系統(tǒng)的諧波問題，對諧波的產(chǎn)生及其抑制進行了討論。分析了有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)（諧波電流檢測技術(shù)、電流跟蹤控制技術(shù)）。對ip-iq法、TTA法、FBD法的原理及其在三相三線制系統(tǒng)的應(yīng)用進行了分析。同時，分析了常用的電流補償控制原理及其優(yōu)缺點，并采用易于軟件實現(xiàn)的滯環(huán)比較控制方法。</p><p>　　然后，通過分析有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型，給出了主電路各個器件的參數(shù)計算方法。確定了直流側(cè)電壓控制策略。使用

5、MATLAB的Simulink建立了仿真模型，給出了仿真參數(shù)以及仿真條件，并對系統(tǒng)進行了仿真。仿真結(jié)果表明，整個系統(tǒng)能夠很好的抑制諧波，提高電能質(zhì)量。</p><p>　　關(guān)鍵詞：三相三線制，有源電力濾波器，ip-iq法，TTA法，F(xiàn)BD法</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the rapid

6、development of industrialization, the rapid development of power electronic technology, the use of a variety of nonlinear loads resulting in a lot of harmonic pollution. The technology of harmonic suppression is one of t

7、he main methods to improve power quality.Active power filter (APF) as a dynamic and effective suppression harmonics and compensating reactive power, the power electronic devices, in the power system harmonic governance h

8、as gradually become hot research.</p><p>　　Firstly, the harmonic problem of power system is introduced, and the harmonic generation and its suppression are discussed. The key technology of active power filte

9、r (harmonic current detection, current tracking control technology) is analyzed.The principle of ip-iq、 TTA and FBD and its application in three phase three wire system are analyzed.At the same time, it analyzes the comm

10、on current compensation control principle and its advantages and disadvantages, and adopts the hysteresis control me</p><p>　　Then, by analyzing the mathematical model of the active power filter, the calcula

11、tion method of the parameters of the main circuit is given. The control strategy of DC voltage is determined.Using Simulink MATLAB, the simulation model is established, the simulation parameters and the simulation condit

12、ions are given, and the simulation of the system is carried out. The simulation results show that the whole system can restrain the harmonics and improve the power quality.</p><p>　　Keywords:three-phase thre

13、e-wire, active power filter, ip-iq、 TTA、 FBD</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1 電力系統(tǒng)的諧波問題1</p><p>　　1.1.1 諧波的產(chǎn)生極其危害1</

14、p><p>　　1.1.2 諧波的抑制1</p><p>　　1.2 有源電力濾波器概述2</p><p>　　1.2.1 有源電力濾波器的研究歷史及研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 APF的基本工作原理3</p><p>　　1.2.3 APF的分類4</p><p>

15、　　1.2.4 APF電路結(jié)構(gòu)圖5</p><p>　　1.3 本文的主要工作6</p><p>　　2有源電力濾波器的諧波檢測方法7</p><p>　　2.1 有源電力濾波器的諧波檢測方法概述7</p><p>　　2.2 基于瞬時無功功率的ip-iq法在三相三線系統(tǒng)中的應(yīng)用8</p><p>　　2.

16、3 基于時域變化的TTA法在三相三線系統(tǒng)中的應(yīng)用10</p><p>　　2.4 基于FBD電流檢測方法在三相三線系統(tǒng)中的應(yīng)用12</p><p>　　2.5 本章小結(jié)14</p><p>　　3有源電力濾波器的控制策略15</p><p>　　3.1 補償電流跟蹤控制15</p><p>　　3.1.1

17、電流滯環(huán)控制方法15</p><p>　　3.1.2 三角波比較方式16</p><p>　　3.2 直流側(cè)電壓控制16</p><p>　　3.3 本章小結(jié)17</p><p>　　4并聯(lián)型APF設(shè)計及仿真結(jié)果分析18</p><p>　　4.1 主電路參數(shù)設(shè)計18</p><p&g

18、t;　　4.2 三種諧波檢測算法的結(jié)果及對比20</p><p>　　4.2.1 三相三線制APF仿真模型20</p><p>　　4.2.2 諧波檢測仿真及結(jié)果分析22</p><p>　　4.2.3 各次諧波電流檢測仿真和結(jié)果分析27</p><p>　　4.3 本章小結(jié)28</p><p>　　5

19、全文結(jié)論及展望30</p><p>　　5.1 全文結(jié)論30</p><p><b>　　5.2 展望31</b></p><p><b>　　致謝32</b></p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><b>

20、;　　1緒論</b></p><p>　　1.1 電力系統(tǒng)的諧波問題</p><p>　　1.1.1 諧波的產(chǎn)生極其危害</p><p>　　諧波為對一個周期性的電流（或電壓）進行傅里葉級數(shù)展開，得到的頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量稱為諧波【1】。諧波的產(chǎn)生主要是由電力系統(tǒng)中各種非線性元件造成的。正弦電壓作用在線性元件（如電阻

21、、電容等）時，所產(chǎn)生的電流和電壓仍為正弦波。但當(dāng)正弦電壓作用在非線性負載上時，電流就可能為非正弦波。</p><p>　　產(chǎn)生諧波的諧波源主要有兩大類。</p><p>　　（1）含有非線性元件（如二極管、晶閘管等）的電力電子裝置。近年來，隨著電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，此類電力電子裝置成為最突出，最嚴(yán)重的諧波源，是造成電力系統(tǒng)中諧波干擾的最主要原因【2】；</p><

22、p>　?。?）含有電弧和鐵磁的設(shè)備。這一類設(shè)備主要有變壓器、旋轉(zhuǎn)電機、日光燈等。</p><p>　　諧波不僅會降低電能的質(zhì)量，而且對電力系統(tǒng)的正常運行構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，還會干擾周邊的電力電子設(shè)備【3】。諧波的危害可以歸納為以下兩個方面。</p><p>　?。?）對于電氣設(shè)備，增加了電氣設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備過熱，產(chǎn)生振動和噪音，促使絕緣老化，減少設(shè)備的壽命甚至燒毀。干擾通信設(shè)備和電

23、子設(shè)備【4】；</p><p>　?。?）對于電力系統(tǒng)，影響自動控制和繼電保護裝置的工作可靠性，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。諧波會對感應(yīng)式電能表產(chǎn)生影響，使測量和計量儀器測量結(jié)果不準(zhǔn)確。</p><p>　　1.1.2 諧波的抑制</p><p>　　目前用來抑制電力系統(tǒng)諧波問題主要有兩種方法。一種方法是改造諧波源本身，使其不產(chǎn)生諧波和無功功率。常用脈寬調(diào)制整流技

24、術(shù)、多項整流技術(shù)或功率因數(shù)校正器來使自身性能得到改進，減少對電網(wǎng)的諧波污染。然而，由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和電力電子器件的不確定性以及易變性，使得這種方法治理起來比較困難。另一種方法為安裝諧波抑制裝置。</p><p>　　常用的諧波抑制裝置可以分為兩大類，分別為無源電力濾波器（Passive Power Filter，PPF）和有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）。無源電力濾波器是補償諧

25、波和無功功率的傳統(tǒng)方法，主要由電容、電阻和電抗適當(dāng)組合而成【1】。其原理主要是把諧波電流通入由儲能元件的諧振特性形成支路中，達到減少諧波污染的目的。它具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計容易、可靠性高、成本低廉等優(yōu)點。然而，其濾波效果取決于系統(tǒng)阻抗，當(dāng)電網(wǎng)阻抗發(fā)生變化、濾波器參數(shù)由于的生產(chǎn)誤差或老化等原因發(fā)生變化時，都會導(dǎo)致無源電力濾波器的濾波效果明顯變差【3,5】。</p><p>　　有源電力濾波器（APF）是一種動態(tài)諧波抑制

26、和無功功率補償?shù)男滦碗娏﹄娮釉O(shè)備。其基本原理是從諧波源中檢測出諧波分量，向電網(wǎng)注入與諧波和無功大小相等且方向相反的電流，從而抵消諧波，達到抑制諧波和補償無功的目的。APF能對大小和頻率變化的諧波進行動態(tài)補償，且不會與電網(wǎng)發(fā)成諧振，是最有效地抑制諧波、消除電源畸變的方法之一，是一種理想的諧波補償裝置。</p><p>　　APF相比PPF存在顯著的優(yōu)點，具體有【6】：</p><p>　?。?/p>

27、1）不僅能對各次諧波進行動態(tài)時補償，同時還能補償無功功率；</p><p>　?。?）濾波效果與系統(tǒng)阻抗無關(guān)，不會因為阻抗變化而影響諧波抑制效果；</p><p>　?。?）采用專門的諧波檢測環(huán)節(jié)，對變化的諧波進行快速的動態(tài)補償；</p><p>　?。?）由于可以控制裝置的輸出容量，所以不易受到電網(wǎng)的影響。</p><p>　　1.2 有源

28、電力濾波器概述</p><p>　　1.2.1 有源電力濾波器的研究歷史及研究現(xiàn)狀</p><p>　　早在上世紀(jì)60年代就已有學(xué)者提出APF思想雛形。1969年Bird.B.M和Marsh.J.F等人在論文中介紹了消除電源電流中諧波的一種方法，即向電網(wǎng)注入反向的三次諧波電流以達到減少電流中的諧波成分的目的【7】。雖然論文中并沒有出現(xiàn)“有源電力濾波器”這一名詞，但與目前APF的思想基本一

29、致。1971年，Sasaki.H和Machida.T第一次描述了APF的完整基本工作原理【8】，但由于當(dāng)時電力電子技術(shù)的水平不高，在APF中采用的是線性放大器來生成補償電流，這種方法損耗大、成本高，因此僅停留在了實驗研究這一階段，未能走向市場實用化。1976年，美國西屋電氣公司的Gyugyi.L等人提出用大功率晶體管PWM變換器構(gòu)成APF的基本結(jié)構(gòu)，從而正式確立了APF的概念、拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法。但當(dāng)時電力電子發(fā)展水平比較落后，功率晶體

30、管構(gòu)成的APF依然難以推向市場。1977年，Mohan等人提出了用晶閘管為主要構(gòu)造的APF拓撲結(jié)構(gòu)，用來抑制直流輸電中晶閘管產(chǎn)生的高次諧波，但其缺點是會產(chǎn)生大量的高次諧波。1983年，日本學(xué)者Akagi.H等人提出的三相電路瞬時無功功率理論，對APF的發(fā)展有很大的促進作用，</p><p>　　目前，國外對有源電力濾波器的研究主要以日本為代表，第一臺有源電力濾波器裝置在1982年付諸實踐，現(xiàn)已步入了實用化階段。同

31、時美國、德國等工業(yè)強國對有源電力濾波器也已步入實際運行階段。在上世紀(jì)九十年代我國于才開始研究有源電力濾波器【9,10】，因為起步較晚、初期投入大，補償容量難以擴大等原因，使得APF尚未能普及應(yīng)用。因此，APF不僅在理論上而且在應(yīng)用方面都存在著很大的研究意義和發(fā)展前景。</p><p>　　1.2.2 APF的基本工作原理</p><p>　　如圖1-1，諧波源一般為含有非線性負載的電力電

32、子裝置，如變壓器、整流器等，其產(chǎn)生的諧波電流為Ih；APF會產(chǎn)生和諧波電流幅值相同而相位相反的補償電流-Ih，通過抵消從而達到消除諧波的目的【1】。</p><p>　　圖1-1 有源電力濾波器基本原理</p><p>　　1.2.3 APF的分類</p><p>　　根據(jù)接入電網(wǎng)的方式，APF主要分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型；根據(jù)APF中直流側(cè)儲能元件類型的不同

33、，主要分為電壓型（儲能元件為電容）和電流型（儲能元件為電感）；根據(jù)補償系統(tǒng)的相數(shù)，主要分為單相APF和三相APF，其中三相又可分為三相三線制和三相四線制【11】。本文主要對三相三線制電壓型APF進行分析。</p><p>　　串聯(lián)型有源電力濾波器通過耦合變壓器串聯(lián)接入線路，如圖1-2(a)所示，串聯(lián)型APF可以等效成一個受控電壓源，可以濾除電壓型諧波源的諧波，但由于理想電流源的內(nèi)阻無窮大，使得串聯(lián)型APF不能濾除

34、諧波源為電流源型諧波源的諧波電流。也就是說，對于電流源型的諧波源需采用并聯(lián)型APF來抑制諧波電流【1】。串聯(lián)型APF只能應(yīng)用于交流系統(tǒng)，當(dāng)其應(yīng)用在直流系統(tǒng)中時，會使耦合變壓器的系統(tǒng)接入側(cè)發(fā)生直流磁飽和。</p><p>　　并聯(lián)型有源電力濾波器等效為一個受控電流源，如圖1-2(b)所示，并聯(lián)型APF通過向系統(tǒng)中注入與諧波電流大小相等、方向相反的電流量，從而達到抑制諧波的目的【11】。因為理想電壓源的內(nèi)阻為零，所以

35、并聯(lián)型APF無法作用于電壓源型諧波源。</p><p>　　(a)串聯(lián)型APF的基本拓撲結(jié)構(gòu) (b)并聯(lián)型APF的基本拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖1-2 APF的基本拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　本文針對的主要是由非線性負載引起的電流畸變問題，而電網(wǎng)阻抗的變化對并聯(lián)型APF的補償特性并不產(chǎn)生影響，因而在本文只要討論并聯(lián)型APF。</p>

36、;<p>　　1.2.4 APF電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖1-3 APF的電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1.3 本文的主要工作</p><p>　　本文主要研究三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的諧波檢測以及控制方法。課題主要的工作如下：</p><p>　　（1）對目前主要的電流諧波檢測方法進行介紹。重點分析了基于α

37、-β變換的ip-iq法、基于時域變換的諧波電流檢測算法（簡稱TTA）和利用等效電導(dǎo)思想構(gòu)成的FBD法，對其的原理進行了簡要闡述；</p><p>　　（2）對直流側(cè)電容電壓、直流側(cè)穩(wěn)壓電容、APF輸出側(cè)濾波電感采樣頻率等參數(shù)進行設(shè)計。在MATLAB/Simulink中搭建三相三線并聯(lián)型APF仿真模型。對電流滯環(huán)控制進行仿真分析；</p><p>　　（3）通過MATLAB/Simulink

38、對三種電流檢測算法(ip-iq、TTA、FBD)進行仿真，使補償后網(wǎng)側(cè)電流總畸變率小于5%。分析驗證得到三種方法均有很好的可行性。對比了三種檢測方法的優(yōu)缺點，ip-iq法在檢測基波精度上優(yōu)于其他兩種方法。</p><p>　　2有源電力濾波器的諧波檢測方法</p><p>　　目前對APF的研究主要包括以下三個方面：拓撲結(jié)構(gòu)、諧波檢測算法、電流跟蹤控制算法。其中，諧波檢測算法主要用來檢測出

39、系統(tǒng)中的諧波電流，是諧波抑制技術(shù)的基礎(chǔ)。</p><p>　　2.1 有源電力濾波器的諧波檢測方法概述</p><p>　　當(dāng)前常用的諧波電流檢測方法主要包括以下幾種【12】：</p><p>　　（1）基于頻域分析的傅立葉變換(FFT)法</p><p>　　FFT法是一種比較常用的方法。將采樣得到的信號進行傅里葉分解，得到信號中的基波和諧

40、波分量，除去基波分量，再對余下的諧波分量進行傅里葉反變換，即可得到諧波的幅值和相位。對于特定次的諧波補償來說這種方法十分方便。但是這種方法需要大量的計算，如果電網(wǎng)電壓畸變嚴(yán)重或者諧波在該周期里有較大的波動，則會引起較大的檢測誤差，另外這種方法至少需要一個周期的歷史數(shù)據(jù)，并且要求被補償?shù)碾娏魇侵芷谛宰兓?，以上缺點都限制了FFT法的應(yīng)用范圍。</p><p>　?。?）基于三相瞬時無功功率的諧波檢測方法</p

41、><p>　　1984年，日本學(xué)者提出了瞬時無功功率理論?；谠摾碚摰臋z測方法主要有p-q法、ip-iq法和id-iq法。p-q法中會用到有功功率和無功功率，不僅會用到電網(wǎng)電流還會用到電網(wǎng)電壓信號,因此,當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時,會對檢測精度產(chǎn)生很大的影響。而ip-iq法則是通過鎖相環(huán)取得電網(wǎng)電壓的相位,通過這個相位演變出一個理想的電壓信號,不直接使用電網(wǎng)電壓,因此當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時,并不影響檢測精度。ip-iq法延伸

42、出了基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的id-iq，該方法將三相負載電流轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系中,然后通過低通濾波器來得到基波電流。由于在計算中同樣使用了鎖相環(huán),因此檢測結(jié)果也不會受到畸變電壓的影響。</p><p>　　這一類檢測方法需要用到濾波器將基波分量分離出來,濾波器對檢測的結(jié)果影響很大。常用的低通濾波器有Butterworth濾波器、移動平均滑窗濾波器和自適應(yīng)濾波器等。</p><p>　　

43、（3）基于時域的電流檢測算法（TTA）</p><p>　　基于時域變換的諧波電流檢測算法(Time-domain based Transform Algorithm，TTA),由西安交通大學(xué)李紅雨等人提出。TTA法能夠使有源電力濾波器根據(jù)不同的補償目的進行靈活的補償，既可以補償諧波電流和無功功率，也可以補償不平衡電流。TTA算法實時性好、應(yīng)用靈活、延時小、適應(yīng)范圍較廣【13】。</p><p

44、>　?。?）自適應(yīng)檢測算法</p><p>　　自適應(yīng)法是基于信號處理中的自適應(yīng)噪聲對消技術(shù)，其原理為將電網(wǎng)電壓作為期望的參考信號，消去負載電流中與電網(wǎng)電壓波形相同的基波有功分量，即可得到所需補償?shù)闹C波電流【14】。這種檢測方法簡單易實現(xiàn)，擁有較快的動態(tài)響應(yīng)速度與較高的檢測精度。</p><p>　?。?）基于FBD的諧波檢測方法</p><p>　　FBD法

45、是基于時域變換的一種算法。1932年德國學(xué)者S.Fryze最先提出FBD法，其基本原理為用檢測到的三相負載電流和參考電壓相乘得到參考功率，然后在經(jīng)過計算和濾波得到一個直流分量，這個直流分量即為串聯(lián)在各相的等效電導(dǎo)，最后與不同的相位信息相乘即可分別得到被檢電流的基波有功和無功分量，通過將兩者求和得到基波電流，用負載電流減去基波電流就得到了諧波電流。</p><p>　?。?）基于小波變換理論的諧波檢測。</p

46、><p>　　由于小波變換有較好的時頻局部化特性，所以可以很好地分析出電網(wǎng)中的諧波不同頻率的信號。傅里葉變換在分析各次諧波時會到局限，此時可以用小波變換來得到諧波電流，但小波變換在諧波電流檢測技術(shù)中應(yīng)用的還不廣泛，仍需進一步的研究。</p><p>　　本文中，主要對目前主流的諧波電流檢測方法ip-iq法、TTA法、FBD法并對這三種方法進行仿真分析。</p><p>

47、　　2.2 基于瞬時無功功率的ip-iq法在三相三線系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　ip-iq法其基本原理描述如下：</p><p>　　圖2-1 ip-iq法的諧波檢測框圖</p><p>　　圖2-1中,電力系統(tǒng)輸入的A相電壓Ua先通過鎖相環(huán)(PLL)【15】，得到與電網(wǎng)電壓同相位的信號，根據(jù)這個信號構(gòu)成虛擬的電壓向量，輸入的三相電流ia、ib、ic通過3/

48、2變換變換到α-β坐標(biāo)系下的iα、iβ，用虛擬的電壓向量sin(ωt)、-cos(ωt)構(gòu)造成矩陣C,C與iα、iβ經(jīng)過p/q變換得到瞬時有功電流分量和瞬時無功電流分量ip、iq,將其經(jīng)過數(shù)字低通濾波(LPF)得到直流有功電流分量和直流無功電流分量，再將直流分量進行p/q反變換和2/3變換，可得到三相基波電流iaf、ibf、icf。把輸入的三相電流ia、ib、ic與iaf、ibf、icf基波電流相減得到所要檢測的諧波分量iah、ibh、

49、ich。</p><p><b>　　圖中變換矩陣如下:</b></p><p><b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　在ip-iq法中,使用與電源電壓同相位的虛擬電壓來代替真實的三相電壓向量,相較于p-q避免了三相

50、電壓中的諧波分量或負序分量對檢測精度的影響。由ip-iq法的原理可以看出其既能治理諧波又能補償無功，實時性好。但其只能檢測出正序諧波電流總量,不能直接檢測出負序電流和零序電流且需多次的坐標(biāo)變換，運算量較大。因為只采用了A相的電壓，當(dāng)三相電壓不平衡時，會產(chǎn)生誤差。</p><p>　　2.3 基于時域變化的TTA法在三相三線系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　基于時域變換的諧波電流檢測算法(T

51、TA)，其基本原理描述如下：</p><p>　　圖2-2 TTA法的諧波檢測框圖</p><p>　　首先，基于對稱分量法分解檢測到的負載電流，如式(2-3)所示：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　上式中：m分別為0(A相)，l(B相)，2(C相)，下標(biāo)0（零序分量），1（正序分量

52、），2（負序分量），n為諧波次數(shù)，為初相角。</p><p>　　將式(3-3)分別乘以2sin(ωt-2mπ/3)、2cos(ωt-2mπ/3)、2sin(ωt)、2cos(ωt)，經(jīng)過低通濾波器濾除交流分量，留下的直流分量如下：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　其中x分別指a、b、c三相，經(jīng)過計算可得：&

53、lt;/p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　Ip11為電流基波正序有功分量，定義：</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　(2-7)</b></p><p><b>　　(2-8)&

54、lt;/b></p><p><b>　　(2-9)</b></p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　根據(jù)不同的補償目的，補償方法如下【13，16】：</p><p>　　(1)如果要同時補償諧波、無功電流、不平衡電流(全補償)，令式(2-6)中的Iq11=0，從

55、而得到各相基波電流，負載電流減去基波電流即可得到三相指令電流。</p><p>　　(2)如果補償無功電流以及諧波電流但不補償不平衡電流，則令式(3-8)中的Iqx1=0，然后用負載電流減去式(2-8)得到三相指令電流。</p><p>　　(3)如果只補償無功電流，則可令式(2-8)中的Ipx1=0，然后由式(2-8)即可得到各相補償指令電流。</p><p>　

56、　(4)如果只補償諧波電流，先按照式(2-6)得到各相的基波電流，再分別與檢測的各相負載電流相減得到三相指令電流。</p><p>　　(5)如果只補償?shù)趎次諧波電流，則可用式(2-3)分別乘以2sin(n(ωt-2mπ/3))、2cos(n(ωt-2mπ/3))，然后經(jīng)過低通濾波器濾波得到Ipx11、Iqx11，再用式(2-9)得到各相第n次諧波指令電流。</p><p>　　綜上所述，

57、TTA法可以根據(jù)不同的檢測目的靈活的進行改變，既能檢測諧波又能補償無功，且可以同時檢測出正序、負序、零序的諧波分量，相較于ip-iq法具有更多的優(yōu)勢。</p><p>　　2.4 基于FBD電流檢測方法在三相三線系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　FBD電流檢測方法，其基本原理描述如下圖2-3所示【17，18】：</p><p>　　圖2-3 FBD法的諧波檢測框圖

58、</p><p>　　在三相三線電力系統(tǒng)中的三相電壓和三相電流分別為：</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　用鎖相環(huán)（PLL）取得三相電壓的相位信息，將其和三相電流分別相乘然后三者相加，即可得到等效的有功電導(dǎo)Gpf(

59、t)：</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　經(jīng)其通過LPF濾除交流分量后，得到線性化的等效有功電導(dǎo)：</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p>　　其中，Ia1為基波電流分量幅值，cosφa1為基波電流初始相位，ip為三相中每相有功電流分量的

60、平均值，則：</p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　基波電流有功分量為：</p><p><b>　　(2-16)</b></p><p>　　同理，等效無功電導(dǎo)Gqf(t)：</p><p><b>　　(2-17)</b&g

61、t;</p><p>　　經(jīng)過LPF濾除交流分量后，可得線性化的等效無功電導(dǎo)：</p><p><b>　　(2-18)</b></p><p><b>　　基波電流無功分量：</b></p><p><b>　　(2-19)</b></p><p>　

62、　同ip-iq法和TTA法相比，該方法不需要進行復(fù)雜的矩陣變換，運算簡單，計算量小，但算法的性能受低通濾波器的影響較大。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　詳細的分析了常用的有源電力濾波器的諧波檢測方法，選用基于瞬時無功功率的ip-iq法，基于時域變換的諧波電流檢測算法（TTA）和基于FBD的諧波檢測方法。分別詳細的介紹了著三種

63、方法的基本原理以及在三相三線系統(tǒng)中的應(yīng)用。</p><p>　　3有源電力濾波器的控制策略</p><p>　　3.1 補償電流跟蹤控制</p><p>　　并聯(lián)型APF的主要任務(wù)是把檢測到的負載電流轉(zhuǎn)換成PWM驅(qū)動信號，驅(qū)動主電路產(chǎn)生補償電流以抵消掉負載電流中的諧波成分，從而抑制諧波污染。其關(guān)鍵問題是如何控制逆變電路使補償電流能快速、準(zhǔn)確地跟蹤補償指令信號的變化。

64、目前常用的補償電流控制方法主要有：電流滯環(huán)比較控制、三角載波比較控制、電壓空間矢量調(diào)制控制、無差拍控制等【19】。本文比較了幾種控制方式，采用了滯環(huán)電流控制策略。</p><p>　　3.1.1 電流滯環(huán)控制方法</p><p>　　傳統(tǒng)電流滯環(huán)比較控制原理如圖3-1（a），比較補償電流的指令信號i*c與實際補償電流ic，兩者之差輸入滯環(huán)比較器。通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生脈沖信號，再經(jīng)過驅(qū)動電路

65、控制逆變器上下橋臂的通斷，從而控制補償電流的變化。圖3-1（b）為電流滯環(huán)比較控制的跟蹤過程。其中h為最大補償電流ic與i*c的差值，通常設(shè)置滯環(huán)環(huán)寬為2h。在控制過程中，當(dāng)h較大時，開關(guān)器件的開關(guān)頻率較低，對電力器件要求不高，但是跟蹤誤差較大。反之，當(dāng)h較小時，雖然電流跟蹤誤差較小，但是開關(guān)頻率較高。</p><p>　　電流滯環(huán)控制方法特點有【20】：</p><p>　　(1) 原理

66、易懂，電路簡單，易于實現(xiàn)。</p><p>　　(2) 實時控制方法，跟蹤迅速，電流響應(yīng)很快。</p><p>　　(3) 不需要載波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量。</p><p>　　(4) 屬于閉環(huán)控制方式，輸出誤差固定。</p><p>　?。╝）滯環(huán)比較電流控制的原理圖 (b)滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流</p&

67、gt;<p>　　圖3-1 電流滯環(huán)比較控制示意圖</p><p>　　3.1.2 三角波比較方式</p><p>　　三角波比較方式是目前應(yīng)用最為廣泛的一種方法。三角載波控制方式工作原理如圖4-2，將指令電流與實際電流做差，將所得的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后，與三角波進行比較，得到PWM脈沖信號送入主電路中以驅(qū)動電力電子開關(guān)器件。此控制方法需要設(shè)計PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，增加了調(diào)試時

68、的工作量。與滯環(huán)比較方式相比，該方式具有如下特點【21,22】：</p><p>　　(1) 硬件較為復(fù)雜，不易實現(xiàn)；</p><p>　　(2) 需與三角波進行調(diào)制，響應(yīng)較慢，跟隨誤差較大；</p><p>　　(3) 采用三角載波，輸出電壓中含有與三角載波相同頻率的諧波；</p><p>　　(4) 器件的開關(guān)頻率固定，且等于三角載波的頻

69、率。</p><p>　　圖3-2 三角波比較控制示意圖</p><p>　　3.2 直流側(cè)電壓控制</p><p>　　補償電流發(fā)生電路主要用來發(fā)出用來補償?shù)闹C波電流,由PWM變流器及其相應(yīng)的主功率器件的驅(qū)動電路、電流跟蹤控制電路等組成,為保證其有良好的電流跟蹤性能,必須將變流器直流側(cè)電容的電壓控制為一個穩(wěn)定的適當(dāng)值【23】。</p><p&

70、gt;　　當(dāng)直流側(cè)電壓波動較大時,就會出現(xiàn)欠補償或者過補償。欠補償時會影響補償?shù)木?過補償時會增加APF的干擾性諧波電流,因此穩(wěn)定直流側(cè)電壓是很重要的。</p><p>　　圖3-3 直流側(cè)電壓控制示意圖</p><p>　　穩(wěn)定直流側(cè)電壓的傳統(tǒng)方法是為直流電容供給一個單獨的直流電源。這種方法雖然能夠達到目的,但需要另外設(shè)計一套電路,增加了整個系統(tǒng)的損耗和成本。在電流或電壓環(huán)上加上一個

71、附加的控制環(huán)達到控制直流側(cè)電容電壓的目的。如圖3-3，通常將直流側(cè)電容電壓與給定的參考電壓的差經(jīng)過調(diào)整計算后的輸出疊加到有源濾波器參考電流的有功電流分量中,完成對電容電壓的控制，本文中也采用這種方法來控制直流側(cè)電壓。</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了有源電力濾波器的控制策略。闡述了常用的補償電流跟蹤控制方法，詳細說明

72、了電流滯環(huán)比較方式和三角波控制方式的原理以及應(yīng)用范圍，通過對比，選用了電流滯環(huán)比較控制方法。針對三相系統(tǒng)通過理論和仿真分析對該算法進行了改進，增加了直流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。</p><p>　　4并聯(lián)型APF設(shè)計及仿真結(jié)果分析</p><p>　　4.1 主電路參數(shù)設(shè)計</p><p>　　（1）直流側(cè)電容電壓的確定</p>&l

73、t;p>　　電壓越大，電流動態(tài)響應(yīng)越快，有源濾波器的濾波效能越好，但由于器件耐壓有限，電壓不能太高，一般另Udc≈2U。本文為380V系統(tǒng)，一般取Udc=800v。</p><p>　　（2）直流側(cè)電容值的確定</p><p>　　直流側(cè)電容電壓會直接影響到APF的性能。要保持直流側(cè)電容電壓不變，需取得合適的電容值，電容越大,電壓的波動越小,有源電力濾波器補償效果就越好。但若電容太大

74、,會增加制造成本。</p><p>　　在電壓型APF中，電容器作為直流儲能環(huán)節(jié)。直流環(huán)節(jié)需要緩沖的能量決定了電容器的電容量。假設(shè)直流側(cè)電容提供的能量全部傳送到交流側(cè)，將這部分的能量可以近似的等效成有源電力濾波器的補償容量Sa，取瞬間最大補償電流為150A，電流有效值一般取最大值的一半，Ic=75A，則：</p><p><b>　　(4-1)</b></p&g

75、t;<p><b>　　電容值C：</b></p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　在選定Udc=800v，電源電壓波動率d=3%,通過計算得C=2.763mF，仿真后取C=3mF。</p><p>　　（3）采樣頻率確定。</p><p>　　因為210正

76、好能被2、3、5、7所整除,所以當(dāng)在每個工頻周期采樣210次時,正好能有整數(shù)個點來還原2、3、5、7次諧波,保證了低次諧波電流提取的計算精度。本文的仿真時間為0.02s,則有:</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　?。?）交流側(cè)電感參數(shù)的確定</p><p>　　電感選擇不能過大，因為電感必須滿足并聯(lián)型APF對期望

77、諧波電流的跟蹤能力,但電感選擇同樣不能太小,會造成并聯(lián)型APF的實際補償電流相對于期望補償電流具有很大的超調(diào)。因此,電感的選擇應(yīng)該同時滿足補償電流跟蹤能力以及電流超調(diào)兩方面的要求。</p><p>　　如果要滿足補償電流跟蹤能力，需讓補償電流在每個指令周期內(nèi)的斜率大于指令電流的斜率。因為基波電流相對于其它諧波電流最為平坦,所以用基波電流的斜率作為參考，補償電流的斜率至少要大于基波電流的斜率,從而可以確定交流側(cè)電感

78、的最大值。</p><p>　　由于開關(guān)周期很短,所以在此期間我們可以把正弦波看作一條直線,因此它的斜率為:</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　所以基波的最大斜率為max(tanθ)=icmaxω。設(shè)基波最大補償電流為150A，可以的得出L的值為：</p><p><b>　　

79、(4-5)</b></p><p>　　電感的最小值取決于所允許的開關(guān)諧波的大小。設(shè)每個工頻周期控制210次，采樣周期Tc=95.238μs ，允許的輸出電流波動率δb=5%，可得：</p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　綜合以上分析，可以得出L的取值范圍是4.51mH<L<7.55Mh，本

80、系統(tǒng)主電路由計算值，結(jié)合仿真結(jié)果，選擇L=5mH。</p><p>　　綜上，搭建的仿真模型參數(shù)總結(jié)如下：</p><p>　　（1）系統(tǒng)三相網(wǎng)側(cè)線電壓為380V，系統(tǒng)阻抗忽略不計。</p><p>　?。?）諧波源為三相不控整流橋帶阻感負載，Rd=20?，Ld=2mH。</p><p>　?。?）直流側(cè)電容電壓為Udc=800V。</

81、p><p>　?。?）交流側(cè)電感L=5mH。</p><p>　?。?）直流側(cè)電容C=3mF。</p><p>　?。?）仿真步長為5e-6。</p><p>　　4.2 三種諧波檢測算法的結(jié)果及對比</p><p>　　本文介紹了目前較為常用的三種電流諧波檢測方法（ip-iq、FBD、TTA）。通過MATLAB搭建仿真模

82、型，驗證三種方法的可行性，并對三種方法的仿真結(jié)果進行對比，從而得到三種方法各自的優(yōu)缺點。</p><p>　　4.2.1 三相三線制APF仿真模型</p><p>　　圖4-1 三相三線制APF仿真模型</p><p>　?。╝）電流滯環(huán)控制模塊 （b）三相變流器的APF模塊</p><p>　　圖4-2 AP

83、F仿真模型中的子模塊</p><p>　　圖4-3 ip-iq法電流指令計算模塊</p><p>　　圖4-4 TTA法電流指令計算模塊</p><p>　　圖4-5 FBD法電流指令計算模塊</p><p>　　4.2.2 諧波檢測仿真及結(jié)果分析</p><p>　　三種方法檢測諧波的基本原理都是通過一系列計

84、算得到基波電流，再用負載電流減去基波電流從而得到電流指令，如圖4-6所示，在t=0.1s左右時，三種方法均于同時快速達到穩(wěn)定狀態(tài)且都檢測出了正確的諧波電流，由于三種方法采用了相同濾波器，其快速性是一致的。所以濾波器是影響諧波檢測方法快速性的唯一因素。</p><p>　　圖4-6 不同方法檢測的基波電流</p><p>　　對諧波電流進行仿真對比，如圖4-7。從輸出波形上看，在0.1s發(fā)

85、生負載突變時，三種方法的均能快速有效的檢測出負載電流中的諧波。其中ip-iq、FBD法的動態(tài)過程波形幾乎重合，TTA法動態(tài)過程與ip-iq、FBD法略有不同，這主要是由于其使用了6個低通濾波器濾波，分解量更細，而ip-iq、FBD法僅有兩個濾波器，輸出有細微的差距。</p><p>　　圖4-7 不同方法檢測的A相諧波電流</p><p>　　圖4-8 APF投入后三種方法電源側(cè)電流波

86、形</p><p>　　圖4-8所示為APF投入前后三相三線制系統(tǒng)電源側(cè)的電流波形。在t=0.1s時，將APF投入運行。由圖可以看出，APF投入前，三相電源電流有明顯的畸變，APF投入運行后，得出的三相電流都變?yōu)榱苏也ǎf明諧波補償效果理想。</p><p>　　在諧波檢測的精度方面，從圖4-9，通過Powergui中FFT分析濾波后A相電流波形可以看出，濾波前的主要諧波如5、7、11、

87、13次諧波得到了很好的補償，三種方法檢測的諧波畸變率濾波后分別為1.10%（ip-iq）、1.11%（TTA）、1.08%（FBD），都達到了小于5%的畸變率，滿足相關(guān)指標(biāo)的要求。為了對比的更加明顯，分析了A相補償前與補償后的主要諧波電流峰值和諧波電流含有率，詳見表4-1。</p><p>　　表4-1 A相電流補償前后的主要諧波電流峰值和諧波電流含有率</p><p>　?。╝） 濾波前

88、的A相電源電流FFT分析 （b） ip-iq法濾波后A相電流FFT分析</p><p>　?。╟） TTA法濾波后A相電流FFT分析 （d） FBD法濾波后A相電流FFT分析</p><p>　　圖4-9 三種方法濾波后A相電流波形的FFT分析</p><p>　　如圖4-10，由上文分析得在本文中直流側(cè)穩(wěn)壓采用PI調(diào)節(jié)的控制方式。在仿真中kp取0.2，ki取1

89、5時，系統(tǒng)直流側(cè)電壓能夠快速達到給予的電容電壓初始值800V，由圖可知會產(chǎn)生一定的波動，在電壓穩(wěn)定狀態(tài)下，其波動大小在0.6V左右，可以滿足APF穩(wěn)定直流側(cè)電壓的要求。</p><p>　　圖4-10 三種方法直流側(cè)穩(wěn)壓控制波形</p><p>　　4.2.3 各次諧波電流檢測仿真和結(jié)果分析</p><p>　　本文的仿真周期為0.02s,取每個工頻周期采樣21

90、0次，取。輸入相位相差120度、周期為0.02s的各次諧波（n=1，2，3，4，5，6，7，9），圖4-11所示為各次諧波的仿真模塊。表4-2所示為A相的各次諧波FFT分析檢測結(jié)果。通過對比ip-iq法、TTA法和FBD法的實驗值，可以得出ip-iq法以及FBD法的精度和準(zhǔn)確性高于TTA法。</p><p>　　圖4-11 各次諧波電流仿真圖</p><p>　　表4-2 A相諧波的標(biāo)準(zhǔn)

91、值與實際檢測結(jié)果</p><p><b>　　4.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　對ip-iq法、TTA法和FBD法進行仿真分析，搭建了基于ip-iq算法、TTA算法的三相三線制APF仿真模型，對仿真模型的參數(shù)進行設(shè)計。仿真驗證電壓控制及補償電流跟蹤控制。搭建了輸入為各次諧波時的仿真模型。</p><p>　　仿真結(jié)果對比分析表明，i

92、p-iq法和FBD法在進行各次諧波單獨檢測時，精度較高；而TTA算法用于檢測三相負載電流等含有多次諧波混合的動態(tài)信號的諧波和無功時，在精度上具有優(yōu)勢。同時仿真結(jié)果表明通過以上三種算法之后，都能準(zhǔn)確的測出諧波電流，使諧波畸變情況得到很好的改善。</p><p><b>　　5全文結(jié)論及展望</b></p><p><b>　　5.1 全文結(jié)論</b>

93、;</p><p>　　本文主要對三相三線制并聯(lián)型APF的諧波電流檢測算法以及電流控制方法進行了分析，主要包括以下幾個部分的內(nèi)容：</p><p>　　(1)系統(tǒng)的介紹了電力系統(tǒng)的諧波問題，分析了諧波的定義、產(chǎn)生、危害和諧波的抑制方法；描述了有源電力濾波器的發(fā)展歷史和其在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀；分析了有源濾波器的基本工作原理和分類，分析了三相三線制APF的數(shù)學(xué)模型；</p><

94、;p>　　(2)闡述了主要的諧波電流檢測算法：主要分析了ip-iq法、TTA法、FBD法等電流檢測算法的基本原理，說明了這三種方法在三相三線制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對三種方法進行了理論對比；</p><p>　　(3)闡述了補償電流常用的方法，主要分析了傳統(tǒng)的三角波比較控制方法以及電流滯環(huán)比較控制方法的原理以及實現(xiàn)方式；</p><p>　　(4)分析了APF直流側(cè)電壓控制的方法，通過分析

95、對比，最終采用直流側(cè)PI控制方法；</p><p>　　(5)根據(jù)三種諧波電流的檢測原理搭建仿真模型，對主電路進行參數(shù)設(shè)計，對三種方法的仿真結(jié)果進行了對比；</p><p>　　(6)搭建各次諧波輸入時的仿真模型，測量三種算法在不同次的諧波輸入下的諧波畸變率。</p><p>　　通過上述工作可以得出以下結(jié)論：</p><p>　　通過仿真，

96、ip-iq法、TTA法、FBD法進行對比可知，三種方法都可以準(zhǔn)確的檢測出諧波電流，從而達到很好的諧波補償效果。</p><p>　　從準(zhǔn)確性上，通過對比三種方法的THD（諧波畸變率），可得TTA法和FBD法具有相同的檢測精度，而ip-iq法的電流檢測的精度優(yōu)于TTA法和FBD法，更接近實際的電流真實值。</p><p>　　從快速性上，低通濾波器類型和參數(shù)的選取是唯一影響電流檢測速度的因素

97、，與電流檢測算法無關(guān)，所以三種方法的快速性相同。</p><p>　　從實時性上，TTA法采用的濾波器多于ip-iq法和FBD法，由于低通濾波器會對實時性產(chǎn)生影響，使得TTA法的實時性較差。</p><p><b>　　5.2 展望</b></p><p>　　本文對比了三種諧波電流的檢測方法，并進行了仿真分析，但由于時間有限，依然存在著很多不

98、足之處，在后續(xù)的工作中，可以從以下幾個方面著手：</p><p>　?。?）加強APF在非理想電源下的研究。在實際中，諧波源不止為三相不控整流橋，可以用不對稱的諧波源和對稱的諧波源，進行對比，可以得出哪種方法更適合不對稱諧波源；同理，可以采用不對稱的電流源，仿真對比三種方法的優(yōu)缺點；</p><p>　?。?）在直流側(cè)電壓控制方面，本文主要采用了傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)控制，今后可以采用更多的方法進

99、行理論與實驗研究，如模糊PI控制和重復(fù)控制等；</p><p>　?。?）在補償電流控制方面，本文中采用的是電流滯環(huán)比較控制方法，可以在后續(xù)的研究中采用其他的方法，如三角載波比較控制、電壓空間矢量調(diào)制控制、無差拍控制等；</p><p>　　（4）目前APF的瓶頸在于的容量還比較小，為了增大APF裝置的容量，可以對主電路結(jié)構(gòu)做進一步的改進，比如采用多電平或多重化技術(shù)，也可以采用APF和PP

100、F結(jié)合的混合式結(jié)構(gòu)，給予APF和PPF不同的分工，以提升容量。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　轉(zhuǎn)眼之間，四年匆匆而逝，我的大學(xué)生涯也即將結(jié)束，回想起這學(xué)期畢設(shè)期間，從選題到開題，從開題報告到畢業(yè)論文再到最后的答辯，一路過來都有老師的悉心教導(dǎo)和同學(xué)的支持幫助，在這里，我要對這些老師和同學(xué)致以衷心的感謝。</p><p

101、>　　首先要感謝我的指導(dǎo)老師**老師，在最初選題時張老師就給了我很大的建議，在做畢業(yè)設(shè)計的期間，*老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)對我產(chǎn)生了很大的幫助，每周的見面會為我解答了很多問題，*老師也時刻關(guān)注著我畢業(yè)設(shè)計的進度，及時糾正我的錯誤使我不至于偏離課題的要求，謹(jǐn)在此向**老師表示衷心的感謝。</p><p>　　同時我還要感謝**的耐心指導(dǎo)，提出了很多的建議和意見，給予了我很大的支持和幫助，使我受益匪淺。同時也感

102、謝其他幫助和指導(dǎo)過我的老師和同學(xué)。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　姜齊榮,趙東元,陳建業(yè).有源電力濾波器—結(jié)構(gòu)?原理?控制[M].北京：科學(xué)出版社,2005</p><p>　　Electromagnetic compatibility(EMC)Part3-2:limits-limits for harmon

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